棉粕对盐碱胁迫下棉花生长及生理特性的影响

2019-12-31孟春梅史蛟华安梦洁马红秀王开勇

新疆农业科学 2019年11期

陈宽，孟春梅，史蛟华，安梦洁，马红秀，王开勇

(石河子大学农学院，新疆石河子 832000)

0 引言

【研究意义】盐渍土指的是土壤中可溶性盐的含量达到一定程度，对土壤中植物的正常生长产生了一定的影响的之一类土类[1]。在我国土壤盐渍化程度较高，特别是新疆，作为棉花的种植大省，盐碱土对棉花的生长影响已经成为不可忽视的问题。有通过育种来增强作物抗逆基因，有通过物理方法暗管排盐或施加改良剂等化学制剂来改变土壤的理化性质来解决盐渍化问题。常把含有中性盐较多的土壤称之为盐土，含有碱性盐较多的称之为碱土，但是常见的为两种的混合土壤，两种土壤含量的比例不同其对植物的影响也不同，治理盐渍化土壤没有特别有效的方法[2]，由于盐碱土容易蓄水，水分下降速度变慢，大量滞留水分，使土壤的疏水性降低，导致土壤的板结，影响植物的正常生长甚至死亡[3]。主要表现为在土壤中的碳酸盐积累到一定程度的时候，会使植株根际的pH值产生变化，使得植株的生长受到限制，对养分和其它矿质元素的吸收产生影响，还有可能破坏根细胞，最终导致根系系统的发育受到限制，在高碱性环境下植株的光合速率和蒸腾速率都会受到影响，影响植株生理代谢。【前人研究进展】耿工贵等[5]通过5种盐碱胁迫对蚕豆进行处理后发现，随着盐碱胁迫时间的增加，蚕豆的叶绿素含量下降，丙二醛和可溶性糖的含量增加。宋静香等[6]对不同盐分梯度的柽柳研究发现，在酶活性方面，盐含量在0.8%以下时CAT含量会增加，高于0.8%时则降低，盐分在一定合适的范围内能起到保持酶活性的作用。棉粕是棉籽进行加工以后得到的产物，通常为颗粒状，常被添加在动物的饲料中，很难被广泛运用[10-12]。但棉粕通过微生物发酵后可以制成腐殖酸，腐殖酸肥料可有效增加土壤孔隙度，提高土壤有机物等其他速效养分[13]。【本研究切入点】目前对盐碱土化学改良研究较多，但对棉粕改良盐碱土的研究尚未明确棉粕的施用配比。针对作物不同时期，作物的生长生理特性有所不同，棉粕的作用效果可能也有所不同，棉粕在土壤中的施入可有效的改良其理化结构。研究从作物的生理特性分析棉粕对改良土壤和提高作物的抗逆性的影响。【拟解决的关键问题】研究棉粕对不同类型盐渍化土壤中棉花生长情况及对酶活性的影响，为新疆棉粕改良盐碱化提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试作物为棉花品种为新陆早60号，将经过处理的棉粕作为供试材料。供试土壤质地为壤土，pH 7.73，有机质16.19 g/kg，盐度( EC1∶5) 0.28 ds/m，全生育期共滴灌水4 200 m3/hm2，试验基础肥料为复合肥(N∶P2O5∶K2O=17-17-17)与尿素(N=46%)。

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验于2017年4月进行，地点为石河子大学农学院试验站(N44°18′42.37″，E86°03′20.72″)，试验采用两因素随机区组设计，因素A为不同中性盐(NaCl)或碱性盐(Na2CO3)，分别代表非盐渍化、轻度、中度、重度盐碱土;因素B为不同棉粕施用量。在试验的前一年对供试土壤进行采样，测定其基础含盐量，根据其含量对土壤提前以浇灌的方式进行盐化处理，至土壤达到预期含盐量。将预定的棉粕施用量均匀地撒入各个小区，再在原地进行0～20 cm浅翻处理。

采用滴灌浇水，管道布设为1膜3管6行，宽窄行处理，宽行距40 cm，窄行距20 cm。小区面积为2.5 m×4 m，小区间距为1 m，每个小区之间布设防渗膜，以保证各个小区之间不会相互影响。试验于2017年4月播种，10月收获。其他管理措施同当地大田。

试验共有7个处理，分别为：CK(中性盐/ 碱性盐0 g/kg +棉粕0 kg/hm2)；LNZ(中性盐4 g/kg +棉粕1 500 kg/hm2)；MNZ(中性盐8 g/kg +棉粕3 000 kg/hm2)；HNZ(中性盐12 g/kg +棉粕6 000 kg/hm2)；LNJ(碱性盐4 g/kg +棉粕1 500 kg/hm2)；MNJ(碱性盐8 g/kg +棉粕3 000 kg/hm2)；HNJ(碱性盐 12 g/kg +棉粕6 000 kg/hm2)。每个处理重复3次。

1.2.2 测定指标

株高用量尺测定每株棉花子叶节到顶端的垂直高度。

各项生理指标测定参照植物生理学[14]的方法并略有改进。在棉花蕾期、花期和铃期三个关键时期，选取生长情况比较均匀的植株样本，设置3个重复。采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[15]。取大小相当、叶片的完整程度较高并且叶片内的茎节较少的棉花叶片，先使用水进行第一遍冲洗，再使用蒸馏水进行第二遍冲洗至叶片干净，使用滤纸将叶片表面水分吸净，采用蒽酮乙酸乙酯法测定可溶性糖(SS)含量，采用硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛(MDA)含量[16]。

1.3 数据处理

使用Excel 2010软件对数据进行处理及作图。采用SPSS17.0统计学软件进行方差分析(ANOVA)和多重比较(采用LSD比较法，P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 棉粕对棉花株高的影响

研究表明,盐碱浓度与棉花株高呈反比，且碱胁迫对棉花株高的影响大于盐胁迫。随着土壤盐碱浓度的加深，棉花株高呈下降趋势，在铃期最为明显，在花期、铃期、蕾期中盐处理对棉花株高的影响低于碱处理。

随着时间的变化，胁迫对棉花株高的影响呈U字形，在花期影响最大。蕾期HNZ、MNJ和HNJ处理的株高显著低于其他处理；花期盐碱处理下的棉花株高显著低于CK；铃期HNZ和HNJ处理显著低于其他处理。盐碱盐胁迫对棉花的高度产生了不同程度的抑制作用，导致植株的生长缓慢，随着棉花的生育，盐碱胁迫的影响逐渐降低，棉粕的施用对于棉花生长有一定的促进作用，且在轻度盐碱胁迫下效果更明显。图1

图1 盐碱胁迫下不同时期棉花株高变化
Fig. 1 Effect of saline-alkali stress on plant of cotton

2.2 棉粕对棉花干物质总量的影响

研究表明,盐胁迫处理下的棉花干物质总量均高于碱胁迫处理，在蕾期最为显著。进入花期后，各处理干物质总量的增加幅度最大，与CK处理相比，盐胁迫下MNZ、HNZ两个处理分别高于CK处理 6.3%, 3.8%，碱胁迫下HNJ处理高于CK处理0.9%。在铃期，除HNZ处理，其它处理较于花期都处于下降趋势。

随时期的变化，棉花干物质总量呈先上升后下降的趋势，随时间的延长，胁迫对干物质总量有显著影响。HNZ的持续上升，随棉粕施入量的增加，对重度盐胁迫有着显著的影响。表1

表1 盐碱胁迫下棉花整株干物质总量变化
Table 1 Effect of saline-alkali stress on total dry matter of cotton (g)

生育时期Fertility periodCKLNZMNZHNZLNJMNJHNJ蕾期Bud period21.14a17.63c18.71b21.95a11.61e11.51e13.41d花期Flower period50.16ab43.19c53.32a52.05a44.06bc45.18bc50.61ab铃期Boll period54.49a34.55d44.21b55.15a34.42d39.75c46.63b

CK(中性盐/ 碱性盐0 g/kg +棉粕0 kg/ha)；LNZ(中性盐4 g/kg +棉粕1 500 kg/ha)；MNZ(中性盐8 g/kg +棉粕3 000 kg/ha)；HNZ(中性盐12 g/kg +棉粕6 000 kg/ha)；LNJ(碱性盐4 g/kg +棉粕1500 kg/ha)；MNJ(碱性盐8 g/kg +棉粕3 000 kg/ha)；HNJ(碱性盐 12 g/kg +棉粕6 000 kg/ha)

CK(neutral salt / basic salt 0 g/kg +Cotton meal 0 kg/ha)；LNZ(neutral salt 4 g/kg +Cotton meal 1,500 kg/ha)；MNZ(neutral salt 8 g/kg +Cotton meal 3,000 kg/ha)；HNZ(neutral salt 12 g/kg +Cotton meal 6,000 kg/ha)；LNJ(basic salt 4 g/kg +Cotton meal 1,500 kg/ha)；MNJ(basic salt 8 g/kg +Cotton meal 3,000 kg/ha)；HNJ(basic salt 12 g/kg +Cotton meal 6,000 kg/ha)

2.3 棉粕对棉花叶绿素含量的影响

研究表明,在棉花蕾期和花期,各处理中叶绿素含量均低于CK处理，并且随胁迫浓度的增加，叶绿素含量呈下降的趋势。到铃期后，轻度和重度胁迫下叶绿素含量显著升高，尤其是LNZ处理与LNJ处理，较CK处理分别增加了12%和10.5%。各处理中棉花叶片叶绿素含量的升高，使棉花生育后期光合速率得到极大的提升，生长情况高于对照。其中，棉粕对于轻度盐碱胁迫下的改良有很明显的效果，尤其是在棉花的生育后期更加显著。图2

2.4 棉粕对过氧化物酶活性的影响

研究表明,在盐胁迫条件下，各处理中棉花叶片过氧化物酶(POD)活性对比CK处理为先增长再降低再增长的趋势。尤其在蕾期，LNZ处理、MNZ处理、HNZ处理棉花POD活性比CK处理高出 31.2%、34.4%、31.8%，但在花期这个趋势开始变化，CK处理的活性开始增加并且高于其3个处理，棉粕对中性盐处理下的棉花POD活性在蕾期和铃期有明显的提高，尤其在蕾期最为显著，虽然在高浓度胁迫下酶活性有所下降，但仍高于对照。图3研究表明,在碱胁迫处理下，各个处理下的棉花POD都处于逐渐增长的趋势，在蕾期和铃期棉花的POD无明显改变，但是在花期低浓度胁迫下棉花POD活性迅速上升并且达到最大值，基本与铃期的酶活性趋势保持一致，LNJ处理与CK处理相差29.6%，相对于MNJ、HNJ处理下比CK降低0.26%和16.1%，棉粕对低浓度碱性盐胁迫下的效果极为显著，尤其是在花期，使过氧化物酶的活性达到最高值，使棉花的呼吸作用、光合作用及生长素的氧化等有很大的提高。图3

图2 盐碱胁迫下棉花叶绿素含量变化
Fig. 2 Effect of saline-alkali stress on chlorophyll content of cotton

图3 盐碱胁迫下棉花过氧化物酶活性变化
Fig. 3 Effect of saline-alkali stress on cotton peroxidase activity

2.5 棉粕对棉花丙二醛含量的影响

研究表明,在盐碱胁迫下，棉花丙二醛含量上升，且碱胁迫下丙二醛含量高于盐胁迫下丙二醛含量。低浓度盐碱胁迫下丙二醛含量低于高浓度胁迫。在棉花铃期，随盐胁迫加重，棉花丙二醛含量降低，碱胁迫则相反。

随着棉花的发育，棉粕对胁迫的缓解作用减弱。棉花蕾期中，通过施加棉粕，盐碱胁迫下棉花丙二醛含量无明显差异，在棉花花期，除LNZ处理外，其他处理均高于CK，在棉花铃期，盐碱处理下丙二醛的含量均高于CK。棉粕对盐碱胁迫下棉花丙二醛的含量的影响随生育时期下降，且对盐胁迫的影响大于碱胁迫的影响。图4

图4 盐碱胁迫下棉花丙二醛含量变化
Fig. 4 Effect of saline-alkali stress on cotton malondialdehyde content

2.6 棉粕对棉花可溶性糖含量的影响

研究表明,在蕾期随着棉粕施入量的增加，各处理中叶片可溶性糖含量逐渐增加，其含量明显高于CK处理。但随时间的延长，进入花期以后均出现下降的趋势，尤其是碱性盐处理，已明显低于对照，MNJ处理下降趋势极为显著，较CK处理降低了45.6%。在进入铃期后，各处理处于上升趋势，但均低于对照。图5

图5 盐碱胁迫下棉花可溶性糖含量变化
Fig. 5 Effect of saline-alkali stress on soluble sugar content in cotton

3. 讨论

在植物的整个生长生育时期中，常会受到不同逆境的影响，有些逆境可能会影响作物的正常生长，造成植物晚熟、生长不全面等，但有些逆境会直接导致植物的衰亡。有研究表明，盐碱胁迫通常以有害离子的渗透来抑制幼苗的生长，不论盐碱程度含量的高低，盐碱胁迫都会影响或抑制棉花幼苗的正常生长，抑制作用会通过盐碱浓度的增加而变得更加明显[17]。研究表明，在处理过的棉花株高上，盐碱胁迫显著抑制棉花的生长，随着盐碱含量的增加对棉花生长的抑制越为明显，但是通过盐碱含量配比施加棉粕，棉花的生长虽然不能达到正常环境下的生长情况，但是有了明显的改善，尤其是LNZ和LNJ处理下尤为显著。并且从棉花干物质的总积累含量也可以看出，在棉花的生育中期，棉粕对其的影响最大，基本达到或超过CK的生长程度，在棉花的生长方面，棉粕对其影响较为显著。

叶绿素是与光合作用有关的重要色素，也是在逆境环境中反应最为明显的生理指标之一，叶绿素含量的变化可以直观反映出植株是否在正常条件下生长[18]。研究显示，在中性盐和碱性盐处于高浓度的盐碱胁迫下，棉花叶片叶绿素含量均显著下降。这可能是叶片在高浓度盐碱胁迫下，活性氧自由基增加和减少的现况被破坏，叶片各项生理功能紊乱，抑制了叶绿体色素生物合成酶的能力，降解速度远大于合成速度，进而致使叶绿素含量迅速下降[20]。但在中浓度和低浓度处理下可以看出，叶绿素呈先下降后上升的趋势，这说明通过低中浓度的盐碱胁迫下的配比棉粕施用，对光合作用有一定促进作用，这与朱红菊[21]研究盐碱胁迫对西瓜幼苗叶绿素含量所得出结论基本相同，在LNZ、MNZ、LNJ、MNJ处理下棉花的生长情况较为良好，尤其在铃期最为显著，在这几种棉粕配比下，不但对盐碱的危害起到了抑制作用，也促进了棉花在后期的生长情况。

植物体内的过氧化物酶(POD)为保护酶中的一种，当活性氧的含量增加，为保证细胞的正常功能和植株的正常生长，植物会通过提高POD含量来抑制过多的活性氧[22]。研究表明，在棉花的三个关键时期内，POD的活性随着胁迫浓度的加强和时长的推后呈现出先上升后下降的趋势，但是在中段时期，MHJ、HNJ处理下的POD活性明显低于CK，其胁迫程度已经远超出植株自身的保护能力，植株的抗氧化系统会产生破坏，导致去除活性氧的能力下降，影响棉花的正常生长。但是在其他指标内可以看出，POD对胁迫环境有明显的对抗作用，并且起到了一定的效果，尤其在低浓度配比施用棉粕的情况下极为显著，可以保证保护酶系统在生育时期内的正常运作。

丙二醛(MDA)是膜质氧化物的最终产物，所以当膜受到损害时，MDA的含量就会根据其随上程度进行变化，从而反映出植株的生长情况[23，24]。研究发现，在棉花的生育前期LNZ、MNZ处理下低浓度盐碱胁迫的情况下，棉花的MDA含量低于CK的含量，说明低浓度配比施用棉粕的情况下，不仅降低了盐碱胁迫对棉花的危害作用，而且还可以有效的改良其原有的土壤情况，使其膜系统能够正常发育生长，尤其在中性盐的处理下这种情况极为显著。但到了生育后期，MDA含量逐渐增加，说明棉粕起到的作用跟不上棉花的生长速度，所以根据这种情况，考虑在棉花的生育后期可以再增加施用相对应比重的棉粕，使其在整个生育时期都可以正常生长。

可溶性糖(SS)是一种渗透调节物质，是合成有机溶质的碳架和能量来源，其含量低的升高可以保证植株保肥保水的能力[25，27]。有研究表明，植物幼苗可溶性糖含量在盐碱胁迫之前高，盐碱胁迫之后变化不明显[28，29]。研究表明，在棉花生育到前中期，其SS含量明显高于CK的含量，以此来保护棉花的肥水能力，但到了后期与丙二醛的情况相同，呈现了下降的趋势，棉粕的配比不足，不能以此保证棉花的正常保肥保水的能力，亦可以采用后期增加棉粕配比的方法使其肥水正常，以达到正常生长的目的。